21世纪舰船动力发展趋势Part2课件

1、21世纪舰船动力发展趋势2005年11月第1页，共52页。2.6.1 PC2-6B柴油机主要技术参数 缸径/冲程：400/500mm 转 速: 600r/min 最高爆压: 190bar 单缸功率: 750kW 功率重量比: 9.310.4kg/kW 功率容积比: 7178kW/m3第2页，共52页。2.7 舰用柴油机两项新技术 柴油机高压共轨系统降低柴油机的排放污染第3页，共52页。2.7.1柴油机高压共轨系统 上世纪90年代中期，新型的共轨式电控喷射系统问世并迅速发展。瓦特西拉 NSD公司于1998年研制出大型船用柴油机电控共轨系统，这是首台全电子控制喷油的4缸直列式二冲程机。MTU公司从

2、1990年开始进行共轨电控喷射系统的开发，并于1996年在MTU4000系列高速柴油机上采用。在此基础上，2000年在8000系列机上也成功地采用。共轨喷射系统开发应用，为直喷式柴油机改善低工况性能，进一步降低油耗，减少排放和降噪提供了技术保障。以电控共轨喷射、电子调速为核心的智能化技术是柴油机技术发展第三次质的飞跃，上二次分别为高压油泵（直接喷射）和涡轮增压技术的应用。第4页，共52页。2.7.1.1 船用共轨燃油喷射系统结构原理图(1) 瓦特西拉船用共轨系统 第5页，共52页。系统由高压油泵、高压油轨、蓄油器、电控喷油器、控制油路、电控系统以及高压油管组成。系统主要优点： *可适用于不同缸

3、数的柴油机。 *把燃油总量分配在几个蓄油器中，有效消除共轨中压力波动造成的不良影响，并且每个蓄油器的高压燃油并不多。 *与进排气门可共用一根凸轮轴驱动。 瓦特西拉船用共轨系统组成及优点 第6页，共52页。(2) MTU 4000系列机的共轨系统原理图第7页，共52页。 系统主要由高压油泵、共轨油管、喷油器和电子控制系统组成。齿轮驱动的高压油泵以设定的压力（约120MPa）将高压燃油输送到共轨，再由共轨分配到各个喷油器。喷油量取决于共轨压力和喷油器电磁阀控制电流的持续时间，共轨压力的调整和电流持续时间的控制均通过电子控制系统来实现。燃油压力由共轨上装设的压力传感器来测定，对应于电子控制系统中设定

4、的压力特性曲线。高压油泵的燃油流量与发动机的每一工况点相匹配。电子控制系统可灵活控制喷油量和喷油时间。 MTU 4000系列机的共轨系统工作原理第8页，共52页。(3) MTU 8000共轨系统 MTU公司在4000系列机成功应用共轨系统后，又在8000系列柴油机上推出共轨系统。该共轨系统与瓦特西拉共轨系统结构相似，只是系统中的每个蓄油器只负责向一个喷油器提供喷射燃油，且喷油器的燃油喷射直接由电磁阀控制而不需要另设控制油路对其进行控制。共轨注油压力达180MPa。单体蓄油器具有足够的容量。由于高压油轨保持持续供油，使蓄油器内始终储有足够的燃油，可防止喷油器上游压力下降和燃油系统压力振荡，同时使

5、发动机在低转速下也能得到高的喷油压力，在低工况时，也可实现有效的燃烧。第9页，共52页。MTU8000柴油机共轨系统布置和原理图第10页，共52页。2.8.1.2 电控高压共轨喷射系统主要优点喷射压力的选择不受柴油机转速和喷油量的影响，即喷油压力与柴油机的运行工况无关。保证整个柴油机工况内的喷射性能，改善燃烧过程;喷油定时和喷油量的调节依靠电控系统电磁阀开闭来实现，且喷油规律可调，可在一次供油过程中实现多次喷射 ;由于喷射压力、喷射定时、喷油量和喷油规律都可实现柔性调节，因此，在整个运行工况内能优化燃烧过程，不仅提高经济性，还可降低NOx、噪音和烟度;无需对柴油机进行大的改动，即可用共轨系统代

6、替原喷射系统 第11页，共52页。2.8.2 降低柴油机的排放污染 目前国外对船舶控制排污要求越来越严格。国际海事组织（IMO）于1996年12月提出的NOx规定值如图。国际海事组织已确定1998年在新设计的船舶中实施排放限制规定，而且决定以后每五年对标准进行一次强化。美国联邦环境保护局规定从2001年起收缴排放税（$10000/t NOx）。20世纪90年代以来，国外各主要柴油机制造商，已把降低排放与降低油耗放在同等重要，甚至更为重要的位置加以研究。降低排放已成为推进船用柴油机技术发展的研究热点。 第12页，共52页。2.8.2.1降低柴油机NOx排放的几种措施 柴油机采用高压共轨系统直接喷

7、水降NOx 喷射蒸汽降NOx并提高效率 利用水蒸汽降低排放 第13页，共52页。三、推进器发展趋势第14页，共52页。3.1 前言推进器的发展趋于简单、快速和高性能。未来舰船将更多地采用结构简单、重量轻、尺寸小，使用方便、便宜、效率高的定距桨。螺旋桨存在的缺点：一是推进效率不高，尤其在高速;二是螺旋桨会产生较大的噪声，特别对潜艇的隐蔽性极为不利。除传统螺旋桨外，新世纪还将更多地采用喷水推进器、吊舱推进器等。第15页，共52页。3.1.1各种推进器应用的大致范围示意图第16页，共52页。3.2 喷水推进器喷水推进的起源较早。由于喷水推进技术进展缓慢，直到二次大战后，为适应水翼艇等高速艇的发展，喷

8、水推进第一次得到较大发展。20世纪五、六十年代建造了几型喷水推进水翼船，七十年代是它发展十分迅速的时期。自1980年KaMeWa公司推出首台混流泵喷水推进器以来，使喷水推进在军用船舶和民用船舶上得到较多的采用。随着喷水推进技术的进展，它将成为更多舰船推进器的选择方案。喷水推进技术发展的趋向是：由小功率向大功率发展；应用船的吨位由小型向大型拓展；航速由高速向中低速发展；技术不断成熟，应用将更加广泛。目前推进泵效率可达92%左右，推进总效率可达65%70%左右。KaMeWa的180SII喷水推进器功率大于40MW。第17页，共52页。3.2.1 喷水推进器的优缺点优点：一是水下噪声小；二是船的附体

9、阻力小，如再考虑到推进效率影响，相同推进功率的船，航速可提高；三是推进效率较高；四是操纵性好；五是适应变工况能力强；六是抗空泡能力强。另外喷水推进还具有吃水浅，浅水效应好，传动机构简单等优点。缺点：一是航速低于2025节时效率一般较螺旋桨低，但如果考虑到附体阻力小、主机工况变化小、齿轮箱速比小等因素，情况将会有所改变；二是重量大，由于船内管道内有水，增大了船的排水量；三是在水草或杂物较多水域使用，进口易出现堵塞现象，流道污染清理较难；四是价格比螺旋桨贵；五是换泵叶较麻烦。第18页，共52页。3.2.2 喷水推进原理 喷水推进装置的喷水泵使由进水管进入的水流的动量增加，在喷口处水流以大于船速的流

10、速向后喷出，其反作用力推动船舶前进。喷水推进装置实际是一个泵，其轴转速并不直接与船速有关，无论船处于静止还是以最大速度航行，喷水推进器的轴转速不受船速影响，这与传统螺旋桨不同。 第19页，共52页。3.2.2.1 喷水推进船操纵原理图 第20页，共52页。3.2.2.2 喷泵倒车装置作用原理图 第21页，共52页。3.2.3 喷水推进装置结构图 喷水推进装置主要由进水管道、喷泵、出水喷管和倒车装置、控制系统等组成。第22页，共52页。3.2.4 国外主要的喷水推进器公司KaMeWa喷水推进装置实物图Hamilton公司喷水推进装置实物图第23页，共52页。3.2.4 国外主要的喷水推进器公司L

11、ips公司喷水推进装置实物图 MJP公司喷水推进装置实物图第24页，共52页。3.2.5 喷水推进器与常规螺旋桨性能比较 效率比较航速比较 3.2.5.1 KaMeWa喷水推进与常规桨效率、功率比较 第25页，共52页。3.2.5.2 KaMeWa喷泵与常规桨噪声比较（航速15kn）第26页，共52页。 3.2.5.3装有KaMeWa喷泵与常规螺旋桨船的回转直径比较第27页，共52页。3.2.6 喷水推进装置的控制系统图第28页，共52页。3.2.7 KaMeWa 喷水推进试验室图 第29页，共52页。3.2.8 喷水推进装置的典型应用3.2.8.1 燃气轮机带喷泵第30页，共52页。3.2.

12、8.2 CODOG三轴喷水推进（中间泵无倒车装置）第31页，共52页。3.2.8.3 某高速渡轮的四轴喷水推进装置第32页，共52页。3.2.8.4 其它应用第33页，共52页。3.3 吊舱推进器吊舱推进器（POD）是将推进电机安装在水下箱体内，直接驱动螺旋桨的全回转推进器。有单电机、双电机和一轴单桨、双桨等不同形式。与Z型推进器相比，吊舱推进器由于省去了机械传动，减少了机械损耗，降低了振动和噪音，改善了船体结构，使艉部线型优化，吊舱的流线型设计，提高了流体动力效率。比传统轴式传动电力推进系统更充分地发挥了综合电力系统的优势。 第一台吊舱推进器于1990年12月由ABB公司应用在芬兰的航道工作

13、船上，其功率为1.5MW，ABB公司的吊舱称为“方位吊舱”(Azipod)。随后，Cegelec公司和KaMeWa公司合作研制出吊舱推进器，称为“美人鱼”（Mermaid）。西门子肖特尔推出的吊舱推进器称为西肖吊舱（SSP）。STN ATLAS公司和Lips BV公司开发了称为“海豚”的吊舱（Dolphin） 第34页，共52页。3.3.1 吊舱推进器的优缺点 优点: 1、采用吊舱装置后，不需要减速齿轮箱、艉轴系、艉舵和舵机以及艉侧推器等常规设备。这样主机布置灵活，可节省舱容。造船时无需进行轴系校正，只需对吊舱一次性整体吊装，可缩短船建造周期。 2、噪音低。由于吊舱装置位于最佳尾迹区，可减少空

14、泡现象，减弱了螺旋桨产生的振动，改善了流体动力性能。 3、优良的操纵性。航向保持能力强，较小的转弯半径，很短的急停距离。 4、运行经济性好。所需功率比双桨船低，燃油费用低，能缩短检修周期和在港机动时间。第35页，共52页。3.3.1 吊舱推进器的优缺点 缺点: 1、采用吊舱虽然船舶造价低，但总的投资还是大些。 2、目前吊舱功率有限（30MW，最大桨直径为6m左右），这就限制了吊舱在功率要求高的快速船上的应用。 3、由于目前吊舱内电机功率容积限制，吊舱桨的直径、转速不是最佳值。吊舱桨的效率比传统桨舵装置效率低，但对双桨船而言，由于传统桨舵装置的附体阻力较大。吊舱桨船对相同航速所需的功率还是要低。

15、 4、吊舱桨在战斗舰船上应用还需研究解决一些问题。第36页，共52页。3.3.2 国外几家主要的吊舱推进器ABB Azipod吊舱推进器第37页，共52页。 阿尔斯通公司“美人鱼”吊舱推进器 第38页，共52页。 西门子肖特尔公司（SSP）吊舱推进器 第39页，共52页。3.3.3 SSP吊舱推进器的特点永磁电机的直径可以减少40%；电机的效率上升到98%；减轻了电动机的重量；不需要外部空气冷却系统,电动机冷却由电动机机罩外表面的海水实现冷却；双螺旋桨配置，减小了螺旋桨的直径与桨毂直径比,把总的推进负载均匀分到两套螺旋桨上，回收前螺旋桨的旋涡能量；在两鳍上产生推力；降低了螺旋桨的压力空泡效应,

16、 降低了噪音；降低了操舵的转矩；结构简单、紧凑；机械部件少。第40页，共52页。3.3.4 吊舱推进器的的应用情况吊舱推进器优势使它在民船及军辅船上应用较广泛。据统计，仅ABB公司总计吊舱单127台套，装船总功率1320MW。随着该技术的不断成熟与发展，舰船采用吊舱式推进器已开始越来越多地成为国外海军舰船的选择。 二十世纪八十年代以来，英国海军油船、海洋考察船、法国海军多用途登陆舰、西班牙海军两栖攻击舰、荷兰海军船坞登陆舰、挪威海军海洋警备舰、加拿大海军破冰船等多型辅船采用了吊舱推进器。英、法、美、德、北约等国家或组织的海军已将吊舱式推进器列入其发展计划。第41页，共52页。英国计划发展的驱逐

17、舰吊舱推进器布置图第42页，共52页。3.4 Z型推进器Z型推进器是将推进电动机布置在船体内，由上下二对伞型齿轮传动带动螺旋桨的全回转推进器。下伞型齿轮和螺旋桨成一体，位于水下箱体内，可以任意360左右旋转，具有良好的推进和操纵性能。操舵是通过专门的液压装置来实现。Z型推进器已有50多年的发展历史，技术较成熟，主要应用于航速低于15kn的拖轮及海上作业船。一般单机功率小于3000kW。Z型推进器按桨的不同结构形式又可分为单桨SRP和双桨STP等。第43页，共52页。3.4.1 SRP Z型推进器结构原理图第44页，共52页。3.4.2 SRP Z型推进器在船上安装图第45页，共52页。3.4.

18、3 STP Z型推进器结构原理图第46页，共52页。3.4.4 Z型推进器与吊舱推进器性能比较项目与名称Z推（SRP）Z推（STP）吊舱电机位置船内同左水下吊舱内电机类型异步电机同左永磁电机电机效率95%96%同左98%桨效率水动力性能差，效率低水动力性能好，效率较高水动力性能好，效率高齿轮传动两组90度伞型齿轮同左无齿轮润滑油量3500L同左60L冷却装置、滤器、油泵有有无机械传动效率95%同左100%推进总效率比POD低12%比POD低5%比SRP高12%启动性能预热滑油比POD慢同左较快轴承数12个同左4个转舵装置液压（机构效率70%）同左电气(机构效率90%)或液压旋转轴数34组同左单一轴系对中需要同左不需要电机发热热散在舱内同左由海水带走噪声振动较大同左较小占舱容大同左小运动件维护量较大同左 比Z推减少75%第47页，共52页。3.5 对转螺旋桨 对转螺旋桨(CRP)或称双反转螺旋桨。是将两个普通螺旋桨分别装于同心轴上，以相反方向旋转，如图所示。因为前后螺旋桨尾流的旋转方向相反，其总的结果是